RU2516367C2

RU2516367C2 - Статор возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машины

Info

Publication number: RU2516367C2
Application number: RU2012137714/07A
Authority: RU
Inventors: Ульрих ХАРТМАНН; Аксель МЕЛЕ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2014-05-20
Also published as: US20120299434A1; EP2532073A2; DE102010001620A1; EP2532073B1; DK2532073T3; WO2011095264A2; RU2012137714A; BR112012019359A2; ES2454840T3; CA2789035A1; WO2011095264A3

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения статоров вращающихся электрических машин, возбуждаемых постоянными магнитами. Предлагаемый статор имеет множество сегментов расположенных рядом друг с другом в окружном направлении статора. Согласно изобретению указанные сегменты имеют проходящие в продольном направлении статора зубцы и канавки, при этом сегменты, граничащие непосредственно друг с другом, соприкасаются на границе сегментов, а зубцы непосредственно граничащих друг с другом сегментов расположены так, что на границе сегментов зубец одного сегмента соприкасается с зубцом непосредственно граничащего с сегментом сегмента, причем сумма значений ширины обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, или всех зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, при этом меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе указанных сегментов, имеют единую ширину, которая больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности уменьшения возникающих в возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машины фиксирующих и/или маятниковых моментов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к статору возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машины.

В возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машине, такой как, например, возбуждаемый постоянными магнитами генератор или возбуждаемый постоянными магнитами электродвигатель, критичной конструктивной величиной являются фиксирующие моменты при остановке электрической машины. При этом амплитуда фиксирующих моментов должна быть возможно минимальной. Кроме того, необходимо удерживать возможно меньшими маятниковые моменты, которые возникают под нагрузкой.

В частности, в непосредственно приводимых в действие, возбуждаемых постоянными магнитами ветровых электрических генераторах фиксирующие моменты, которые возникают при остановке, а также маятниковые моменты, которые возникают при работе ветроэлектрических генераторов, необходимо удерживать возможно меньшими.

Для минимизации маятниковых моментов в настоящее время применяются по существу следующие способы:

скашивание расположенных в роторе электрической машины постоянных магнитов,

скашивание электрических проводов в статоре электрической машины,

смещение постоянных магнитов ротора из середины полюсов.

Однако указанные выше известные способы являются технологически сложными.

Из US 1779950 А и CN 201298796 Y известна электрическая машина со статором, состоящим из расположенных в окружном направлении сегментов статора, при этом сегменты статора имеют зубцы и канавки и при этом соприкасаются соответствующие зубцы границы соседних сегментов статора.

Из US 4700098 А известна электрическая машина со статором, который имеет зубцы статора и расположенные между зубцами статора канавки. Для предотвращения фиксации канавок зубцы статора и тем самым магнитные полюса расположены не на одинаковом расстоянии друг от друга.

Задачей изобретения является уменьшение возникающих в возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машине фиксирующих и/или маятниковых моментов.

Эта задача решена с помощью статора возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машины, при этом статор имеет множество расположенных рядом друг с другом в окружном направлении статора сегментов, при этом сегменты имеют проходящие в продольном направлении статора зубцы и канавки, при этом граничащие непосредственно друг с другом сегменты соприкасаются на границе сегментов, при этом зубцы непосредственно граничащих друг с другом сегментов расположены так, что на границе сегментов зубец одного сегмента соприкасается с зубцом непосредственно граничащего с сегментом сегмента, при этом сумма значений ширины обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, или всех зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, при этом меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют единую ширину, которая больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

За счет того, что меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют единую ширину, которая больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, могут быть дополнительно уменьшены фиксирующие и/или маятниковые моменты.

Кроме того, предпочтительно, когда меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют единую ширину, которая больше единой ширины большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов. За счет этого могут быть дополнительно уменьшены фиксирующие и/или маятниковые моменты.

Кроме того, предпочтительно, когда меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют единую ширину, которая меньше или равна двойной единой ширине большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов. Когда ширина меньшинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеет единую ширину, которая лежит в указанном диапазоне, то особенно сильно уменьшаются фиксирующие и/или маятниковые моменты.

Кроме того, предпочтительно, когда значения ширины обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов одинаковы, поскольку в этом случае сегменты на границе сегментов выполнены механически особенно стабильно.

При этом возбуждаемая постоянными магнитами вращающаяся электрическая машина может быть выполнена, например, в виде генератора или электродвигателя, при этом генератор может быть выполнен, в частности, в виде ветроэлектрического генератора и, в частности, в виде непосредственно приводимого в действие (ветряк соединен непосредственно без промежуточно включенной передачи с ветроэлектрическим генератором) ветроэлектрического генератора.

Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг.1 - возбуждаемая постоянными магнитами вращающаяся электрическая машина, согласно изобретению, и

фиг.2 - часть статора, согласно изобретению, машины, согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг.3 - часть статора, согласно изобретению, машины, согласно другому варианту выполнения изобретения.

На фиг.1 схематично показана в изометрической проекции возбуждаемая постоянными магнитами вращающаяся электрическая машина 1, согласно изобретению. При этом машина 1 выполнена в рамках примера выполнения в виде генератора и, в частности, в виде ветроэлектрического генератора. При этом следует отметить, что для наглядности на фиг.1 показаны лишь существенные для понимания изобретения элементы машины 1.

Машина 1 имеет ротор 2, который установлен с возможностью вращения вокруг ротационной оси R машины 1. При этом ротор 2 содержит все расположенные с возможностью вращения элементы машины 1. Ротор 2 имеет роторное ярмо 3, на котором расположены постоянные магниты, при этом для наглядности на фиг.1 лишь один постоянный магнит обозначен позицией 4. При работе машины 1 ротор 2 вращается в рамках примера выполнения вокруг расположенного в машине 1 центрально и неподвижно относительно окружения машины 1 статора 5. Поскольку ротор 2 расположен вокруг статора 5, то такая машина называется также машиной с наружным ротором. Поскольку ротор 2 имеет постоянные магниты, которые постоянно создают магнитное поле для работы машины 1, то такая машина называется также возбуждаемой постоянными магнитами электрической машиной. Поскольку машина 1 имеет вращающийся ротор 2, то такая машина называется также вращающейся электрической машиной.

Статор 5, согласно изобретению, имеет множество расположенных рядом друг с другом в окружном направлении U статора 5 сегментов. При этом в рамках примера выполнения статор 5 имеет шесть сегментов, при этом для наглядности лишь сегменты 8а и 8b обозначены позицией. Сегменты имеют проходящие в осевом направлении Z статора 5 зубцы и канавки, при этом для наглядности на фиг.1 лишь зубцы 7а, 12а, 7b, 12b и канавка 6 обозначены позициями. При этом непосредственно граничащие друг с другом сегменты соприкасаются на границе сегментов, при этом для наглядности лишь граница 9 сегментов, на которой соприкасаются сегменты 8а и 8b, обозначена позицией. Каждый сегмент состоит из расположенных друг за другом в осевом направлении Z металлических листов. При этом отдельные металлические листы одного сегмента, как правило, снабжены электрически изолирующим слоем, таким как, например, слой лака. При монтаже статора 5 сегменты располагают рядом друг с другом в окружном направлении U и соединяют друг с другом, так что получается показанный трубчатый статор 5.

Зубцы и канавки сегментов возникают за счет соответствующего выполнения формы металлических листов. В канавках вокруг зубцов проходят электрические обмотки статора, при этом обмотки для наглядности, и поскольку они являются не существенными для понимания изобретения, не изображены.

При этом в предлагаемых в торговле возбуждаемых постоянными магнитами вращающихся электрических машинах ширина отдельных зубцов статора 5 одинакова. Согласно изобретению, за счет целенаправленного уменьшения ширины определенных зубцов по сравнению с остальными зубцами статора 5, уменьшаются возникающие во время работы машины фиксирующие и маятниковые моменты.

При этом следует еще раз отметить, что фиг.1 представляет схематичное изображение, в котором, например, в частности ширина, количество и размеры зубцов, канавок и постоянных магнитов, а также величина расположенного между статором и ротором воздушного зазора не соответствуют действительности.

На фиг.2 схематично показан разрез части сегмента 8а и непосредственно граничащего с сегментом 8а сегмента 8b. Оба сегмента 8а и 8b соприкасаются на границе 9 сегментов. В показанной части сегмент 8а имеет зубцы 12а, 7a, 7a′, 7a′′ и 7a′′′, а сегмент 8b имеет зубцы 12b, 7b, 7b′, 7b′′ и 7b′′′. Следует отметить, что в действительности сегмент может иметь, например, сотни зубцов и канавок, так что на фиг.2 показана лишь небольшая часть сегментов.

Согласно изобретению, зубцы непосредственно граничащих друг с другом сегментов расположены так, что на соответствующей границе сегментов зуб одного сегмента соприкасается с зубцом непосредственно граничащего с сегментом сегмента. В рамках примера выполнения, например, зубцы непосредственно граничащих друг с другом сегментов 8а и 8b расположены так, что на границе 9 сегментов зубец сегмента 8а соприкасается с зубцом непосредственно граничащего с зубцом 8а сегмента 8b. В рамках примера выполнения это зубцы 12а и 12b, которые соприкасаются на границе 9 сегментов. Таким образом, согласно изобретению, не происходит разделения статора внутри канавки.

На фиг.2 для наглядности лишь одна канавка 6 обозначена позицией. Сегмент заканчивается, как уже указывалось выше, в окружном направлении U не в канавке, т.е. граница 9 сегментов не лежит внутри канавки. Зубец 12а имеет ширину а, а зубец 12b - ширину b. Зубцы, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, т.е. в показанном на фиг.2 примере выполнения изображенные зубцы 7a, 7a′, 7a′′, 7a′′′, 7b, 7b′, 7b′′, 7b′′′ имеют единую ширину с, т.е. они все имеют одинаковую ширину. Согласно изобретению, сумма (а+b) значений ширины а и b соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов 12а и 12b больше единой ширины с всех зубцов 7a, 7a′, 7a′′, 7a′′′, 7b, 7b′, 7b′′, которые не расположены непосредственно на границе 9 сегментов.

То есть

а+b>c

Таким образом, образованный из обоих соприкасающихся на границе 9 сегментов зубцов 12а и 12b общий зуб 11 имеет большую ширину, в частности значительно большую ширину, чем единая ширина с зубцов, которые не расположены непосредственно на границе 9 сегментов. За счет этого, согласно изобретению, значительно уменьшаются фиксирующие и маятниковые моменты. Таким образом, в противоположность уровню техники не любой зубец разделяется границей сегментов, так что оба возникающих частичных зубца не имеют как в уровне техники, при пренебрежении возможно возникающим, расположенным между обоими частичными зубцами воздушным зазором, ту же ширину, что и неразделенный зубец.

Высокая механическая стабильность сегментов достигается, когда значения ширины а и b обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов одинаковы, т.е. а=b.

При этом в рамках унифицированного изготовления предпочтительно, когда все зубцы сегмента и тем самым статора имеют единую ширину, т.е.

а=b=с

За счет этого дополнительно достигается особенно высокая механическая стабильность статора и отдельных сегментов, поскольку на границе сегментов нет зубцов, которые имеют еще лишь часть ширины зубцов, которые не расположены на границе сегментов.

На фиг.3 показан другой вариант выполнения изобретения, при этом на фиг.3 одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг.2. Принцип действия и конструкция варианта выполнения, согласно фиг.3, совпадают с вариантом выполнения, согласно фиг.2, однако при этом в варианте выполнения, согласно фиг.3, меньшинство зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют большую ширину, чем единая ширина большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов. При этом в рамках примера выполнения зубцы 13а и 13b имеют ширину d, которая больше единой ширины с большинства зубцов 7a, 7a′, 7a′′, 7b, 7b′, 7b′′, которые не расположены непосредственно на границе сегментов. То есть

d>c

При этом сумма (а+b) значений ширины а и b обоих соприкасающихся на соответствующей границе 9 сегментов зубцов больше единой ширины с большинства зубцов 7a, 7a′, 7a′′, 7b, 7b′, 7b′′, которые не расположены непосредственно на границе сегментов.

Особенно хорошее подавление фиксирующих и маятниковых моментов достигается, когда меньшинство зубцов 13а, 13b, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, имеют единую ширину d, которая меньше или равна двойной единой ширине большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов, т.е.

c<d≤2c

Естественно, что также в этом варианте выполнения изобретения предпочтительно, когда значения ширины обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов равны, т.е.

а=b

Для достижения особенно высокой стабильности для ширины зубцов предпочтительно, когда

а=b=c

т.е. ширина зубцов, которые расположены непосредственно на границе сегментов, совпадает с шириной большинства зубцов, которые не расположены непосредственно на границе сегментов.

Сказанное выше в рамках описания фиг.2 и фиг.3 относительно обоих сегментов 8а и 8b справедливо, соответственно, также для остальных не изображенных на фиг.2 и фиг.3 сегментов статора 5.

За счет изобретения можно отказаться от технологически сложных мер, таких как смещение полюсов или скашивание.

Выполненные так сегменты на основании более высокой жесткости и на основании расположенного на границе сегментов зубца более просты в изготовлении и монтаже, чем в обычных статорах, в которых все зубцы, включая образованный из обоих соприкасающихся на соответствующей границе сегментов зубцов общий зубец, имеют единую ширину (a+b=c=d).

Claims

1. Статор возбуждаемой постоянными магнитами вращающейся электрической машины (1), при этом статор (5) имеет множество расположенных рядом друг с другом в окружном направлении (U) статора (5) сегментов (8а, 8b), при этом сегменты (8а, 8b) имеют проходящие в продольном направлении (Z) статора (5) зубцы (7а, 7а′, 7а′′, 7а′′′, 7b, 7b′, 7b′′, 7b′′′, 13а, 13b, 12а, 12b) и канавки (6), при этом граничащие непосредственно друг с другом сегменты (8а, 8b) соприкасаются на границе (9) сегментов, при этом зубцы (7а, 7а′, 7а′′, 7а′′′, 7b, 7b′, 7b′′, 7b′′′, 13а, 13b, 12а, 12b) непосредственно граничащих друг с другом сегментов (8а, 8b) расположены так, что на границе (9) сегментов зубец (12а) одного сегмента (8а) соприкасается с зубцом (12b) непосредственно граничащего с сегментом (8а) сегмента (8b), при этом сумма значений ширины (а, b) обоих соприкасающихся на соответствующей границе (9) сегментов зубцов (12а, 12b) больше единой ширины (с) большинства зубцов (7а, 7а′, 7а′′, 7b, 7b′, 7b′′), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов, или всех зубцов (7а, 7а′, 7а′′, 7а′′′, 7b, 7b′, 7b′′, 7b′′′), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов, при этом меньшинство зубцов (13а, 13b), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов, имеют единую ширину (d), которая больше единой ширины (с) большинства зубцов (7а, 7а′, 7а′′, 7b, 7b′, 7b′′), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что меньшинство зубцов (13а, 13b), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов, имеют единую ширину (d), которая меньше или равна двойной единой ширине (с) большинства зубцов (7а, 7а′, 7а′′, 7b, 7b′, 7b′′), которые не расположены непосредственно на границе (9) сегментов.

3. Статор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что значения ширины (а, b) обоих соприкасающихся на соответствующей границе (9) зубцов (12а, 12b) одинаковы.

4. Возбуждаемая постоянными магнитами вращающаяся электрическая машина (1), при этом машина (1) выполнена в виде генератора или электродвигателя и имеет статор (5) по любому из пп.1-3.

5. Возбуждаемая постоянными магнитами вращающаяся электрическая машина (1) по п.4, отличающаяся тем, что генератор выполнен в виде ветроэлектрического генератора.